一种新颖的两天线差分空时分组编码方案

2007年第11期,第40卷通信技术Vol.40,No.11,2007总第191期Communications TechnologyNo. 191, To种新颖的两天线差分空时分组编码方案李伟,王宏霞,张玉卫(西南交通大学信息安全与国家计算网格实验室,四川成都610031)【摘要】传統的差分空时分组编码( DSTBC)在QPSK调制时存在着信号星座扩展。文中提出了一种在QPSK调制下新颖的两发射天线差分空时分组编码方策,此方案提供了一定的编码增益,同时也解决了星座扩展问题。在新方案中,改进了从信息块到系数矢量的映射,从而使其性能与相干空时分组编码相比大约只差1dB.同时新方象编码相对简单,在接收端也具有低的解玛复杂度【关键词】发射分集;差分检测;差分空时分组编码;星座扩展【中图分类号】TN911.22【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)11-0068-03A New Differential Space-Time Block Coding Schemewith two Transmit antennasLI Wei, WANG Hong-xia, ZHANG Yu-wei(Lab. of Information Security and National Computing Grid, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 61003, China)(Abstract] The traditional differential space-time block code(DSTBC)suffers from the signal constellationexpansion for QPSK modulation. In this paper, a new differential space-time block code for QPSK modulation withtwo transmit antennas is proposed, which can offer a differential coding gain without constellation expansion.In this scheme, the mapping from the information blocks to the coefficient vectors is improved. As a result, theperformance is only about ldb away from the coherent STBC. the new encoding is relatively simple, and decodingis achieved with low decoding complexity at the receiver[Key words] transmit diversity: differential detection: DSTBC: constellation expansi0引言确解码。 Tarokh和 Jafarkhani提出了基于正交设计的两天近年来,无线通信中的空时编码迅速发展。作为移动通线差分空时编码方案,此方案与传统的空时分组编码相信中的一项新技术,空时编码技术已被纳入第三代移动通信比,其性能在高信噪比时有大约3dB的差异,但在QPSK调的标准。制下存在信号星座扩展;后来他们把文献[2]的两天线进行然而,大多数空时编码方案在接收端都需要准确的信道推广,提出了基于多发射天线的差分空时分组编码状态信息(CSI)在信道相对符号速率变化缓慢的情况下, Bertrand M Hochwald通过引入一类对角信号提出了一种新接收端可以通过发射端发送已知的训练符号或导频序列来的差分酉空时编码"。 Brian L. Hughes提出了一种基于群码获得CSI。但在发射天线数目较多或移动台高速移动使信道的多天线差分调制方法, Xun Shae引出了一种新的差分空衰落系数变化较快时,接收端就很难进行准确信道估计,有时分组编码方案,此方案解决了在QPSK调制下的信号星座时甚至根本无法估计。如在第三代欧洲移动通信标准中要求扩展问题,同时还获得了1~1.5dB的编码增益。通信终端在时速达500km/h的火车上通信,这将使信道衰文中提出了一种性能更优的 DSTBC方案,通过选择一对落系数快速变化无法进行信道估计。因此不需要信道估计的使所有发射信号都落在QPSK星座上的差分系数使信号星座空时编码设计成为了人们关注的焦点扩展问题得到了解决。仿真结果表明此方案的性能比文献[2]最近,在文献[2~5]中提出了几种不同的空时编码方,中的好15~2dB,比文献[6]中的好大约1dB同时新方案案,它们都能在不需要信道状态信息CSI)的情况下进行准具有低解码复杂度的优点收稿日期:2007-06-18基佥项目:四川省青年科技基金资助项目(编号:072026-004):西南交通大学发展基金资助项目(编号:200604),作者简介:李伟(1982-),男,硕士研究生,主要从事差分空时编码、M-ΦFDM、移动空中接口方面的研究工作:王宏霞(1973-),女,教授,博士生导师,主要从事保密通信、信息隐藏、多媒体处理技术方面的研究工作;张玉卫(1981-),男,硕士研究生,主要从事MI系统的空吋编码、信道编码方面的研究工作1传统的差分分组编码2新的差分空时分组编码假设两个发射天线和个接收天线的系统,且采用MPSK2.1差分编码器调制:文献[2]中从信息块到差分系数矢量的映射如式(3)所A={ew/√2,k=0,示。差分系数矢量与初始参考发射信号和映射符号有关,从其中M=2°,文献[2]差分STBC编码器如图1所示而促使发射信号可能落在QPSK星座之外,如文献[2]中发射信号就扩展到了9QAM星座文中根据当前的格雷映射符号提出了一种新的信息块到差分系数矢量的映射。在时间2+1,编码器的4bbitYapping它们表示为al,a2t,t3.,d2,通过差分星座映射Md)调制成4个符号,其中b=log(M),M是星座符号个数。图1差分空时编码器如图1发射天线开始发射任意初始信号矢量S1=(51,52),●01接收端并不知道此信号且不携带任何信息。经过STBC之后在时间1分别从发射天线1和发射天线2发射信号S和S2,并在时间2分别从发射天线1和发射天线2发射信号●11S2,和S.假设S,=S2,S2是在第t+1个编码操作中反顷到STBC中的信号矢量,编码器就生成两个信号矢量图3ad.,d2l或d,d,的信号星座映射(S1,S)和(-S2S}n)形成一对正交基:调制信号按照下面的结合产生两个混合信号构成差分D(S)=(1)系数矢量R=M(dl,42)+M(d-,dt,),信号(S21,S2)和(-S23S)在两个时刻分别从发射R=M(d,2)-M(d-,d1)天线1和发射天线2发送,D(S)是计算下一个STBC输入可得差分系数矢量:S,=(S2,S2+2)的参考矩阵:R RS,1=R D(S),其中R1=(RR2)是差分系数矢量,此式为文献[2]中的差故下一个STBC编码器输入S1=(52,,52,2)表示为分空时分组编码准则。R I R I在差分编码器中,差分系数矢量R携带发射信号信息D(S,)从信息块到差分系数矢量的映射M(C)定义如下:假设在时其中C=sqr(2),因子C是为了归一化差分系数矢量间2+1,信息块C=(CC)到达编码器,共2b个信息比特然而,在QPSK调制时存在星座扩展,则应对差分系数C通过映射输出两个MPSK符号M(C)=(x,x)∈AxA,此矢量再进行改进。AxA有2=16个信号矢量,因此必有16时就能够计算出对应的差分系数矢量R(C)满足等式个差分系数集V·V仅从两个差分集中选择,表示为4和M(C)=RC)D(S)假设S=(V√2,5为参考的初始发射信42,A和A的值如表1所示号,这样差分系数矢量就表示为表1QPS调制下的两差分系数集合R, (C)=M(C)D(S)这里H表示共轭转置。用式(3)取代式(2),可得00[u0]_030.5-0.505+0.502[0S,+I=M(C)D(S)D(S,)(4)此映射规则对BPSK调制下效果很好,但在QPSK调制下05+0505+0.5就产生了信号星座的扩展。在式(4)中,如果S,≠S,那么下20[0-123【0.505,-0.5+0.522[0]210.5+0.5-0.5-0.5个发射信号就可能不在QPSK星座上,即产生信号星座扩30=■30050540505展,即 S, A,如图2所示33[-,00.5-0.5j,0.50表1中4和2分别是信息块dn,d2,:和dn,d的四进制数。同理,把发射信号也分成两个子集B和B2,它们分别对应系数集合A和A在QPSK调制下,发射信号矢量集合如表2所示。为了避免信号星座扩屐,即S,≠B,必须使R蜓A图2QPSK调制下扩展后的9QM信号星座在新的方案中,差分系数矢量仅来自A集合。如果差分系数矢量来自4,则根据对应的来自A的差分系数矢量计和2时,新方案与文献[2]中的差分方案具有相同的性能,算下一个发射信号。这样选择的差分系数就使得所有下一个这是由于在BPSK调制下两者都没有信号星座扩展。因此两STBC输入S,1(发射信号)都落在QSK星座上,因此发射者都与相应的相干检测STBC差3dB信号就不存在信号星座扩展。从图5中可以看出在QPSK调制下,由于新方案没有了表2对应差分系数集的两发射信号集合信号星座扩展,因此其性能在1根接收天线时与文献[2]中的相比提高了1.5~2dB,与文献[6]中的相比提高了0.5~S,t-(r,y)1dB。在两个接收天线时,新方案分别优于文献[2,6】]约2者(x∈B.y=0)和1dB。更重要的是,其性能仅仅与相应的相干检测STBC差大约1dB。如图5所示,在SER为10时,文献[2]中的2.2差分解码性能比新方案差2dB,文献[6]中的性能在1根和2根接收假设在接收端采用一个天线,21,,1,y2是各时天线时分别比新方案差0.7dB和1dB,如果发射天线数目刻的接收信号。两个结合的统计判决信号按文献2中构成再增加,其性能可能得到进一步的改进R=(2)(,r,R2=(2,2)(52,-2由此得:(只,2)=+)X,2)+(N,N)其中A,(=12)是天线i到接收天线的信道衰落系数。N,(i=1,2)是噪声项文中在解码时,分支距离也按统计判决信号矢量(R,R)和参考的系数矢量的平方欧几里德距离计算。解码器从差分系数集A和A2选择两个接近(R,)的差分系数矢量图5QPsK调制下的误符号性能(SER)(R,R)·然后根据判决一4模2的值来决定选择A或4结语42·如果值为1,则(R,R)来自A2,否则来自A·最后发文中提出在QPSK调制下的一种新颖的差分空时编码方射信号通过相应的逆映射恢复出发射信息比特实现了解码。案,在接收端使用了相同的规则构造统计的判决信号矢量,仅仅不同的是从信息块到差分系数矢量的映射,新方案提供3仿真结果和性能分析了一定的编码增益,其性能都优于文献[2,6]中性能,并且文中对提出的两发射天线、1接收天线和2接收天线的与相应的相干检测SBC仅差1dB,最重要的是文献(2在PSK差分STBC性能在瑞利衰落信道下分别进行了仿真。假设衰调制下产生的信号星座扩展问题也在新方案中得到了解决落在一帧内保持不变,并且在帧与帧之间相互独立。图4显示了在BPSK调制下的新差分方案、文献[2]的差分方案及相参考文献应的相干检测STBC的误符号(SER)性能。图5显示了在QPSKI Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Scheme for WirelessCommunication [] IEEE J. Sel. Areas Commun., 1998, 16(08)调制下的新差分方案、文献[2,6]的差分方案及相应的相干1451~1458检测STBC的误符号(SER)性能2 Tarokh V, Jafarkhani H. A Differential Detection Scheme for馏比再军曲线围Transmit Diversity []. IEEE Journal on Selected Areas in Comm200,18(07):1169~11743 Tarokh Y, Jafarkhani H. Multiple Transmit Antenna DifferentialDetection from generalized Orthogonal Designs[]. IEEE Transinf. Theory,2001,47(06):2626~2634 Hochwald M B. Differential Unitary Space-Time Modulation[J]200,048(12):2041~20525 Hughes B L. Differential Space-Time Modulation [). IEEETransactions on Information Theory, 2000, 46(07): 2567--2578.6 Shao Xun, Yuan Jinhong. A New Differential Space-Time Block图4BPS〖调制下的误符号性能(SER)Coding Scheme[c]. IEEE International Conference on Communic-从图4中可以看出在发射天线为2,接收天线分别为1acions Systems, 2002: 183-187